东南沿海地区建筑基坑往往地层砾砂层较厚、地下水位高、水源补给充足, 基坑渗流破坏给基坑开挖施工带来严重的安全隐患。特别是在基坑下有承压水、基坑底部隔水层厚度不足的情况下, 由于存在较大的承压水水头差, 基坑底板易被冲破形成突涌现象, 造成地下室主体结构无法正常施工。

因此, 在东南沿海地区的深基坑中, 常常因为地质条件的复杂性加上止水帷幕设计不当、降水措施不到位、施工质量控制不严格等因素, 加剧了基坑发生地下水渗漏、支护体系变形和基坑底板突涌事故的可能性, 导致基坑失稳、周围管线损坏和周边建筑物开裂、倾覆等。

本工程地下3层, 基坑开挖底标高为-14.600m。挡土结构采用1 100mm@1 400mm钻孔灌注桩+2道混凝土支撑, 局部采用1 100mm@1 400mm钻孔灌注桩+5道锚索, 钻孔灌注桩桩长27~28m, 如图1所示。

基坑止水帷幕采用850mm@1 200mm三轴深层搅拌桩封闭止水, 桩长25m;采用800mm单轴搅拌桩进行灌注桩桩间塞缝, 桩长16m, 如图2所示。

依据钻探和土工试验, 按岩性、地质年代和成因类型来划分, 场地内土 (岩) 层可以分为以下几层:人工填土的素填土、压实填土层;海陆交互相沉积的淤泥质土、砾砂、粉质黏土、砾砂层;残积土层和下伏全风化、强风化、中风化、微风化花岗岩层, 如表1所示。

场地地下混合水位埋深为1.70~3.30m, 平均2.42m, 相应标高3.570~4.620m。地下水主要为赋存于 (2) ₂砾砂、 (2) ₄砾砂层中的孔隙承压水, 且砾砂层 (2) ₂, (2) ₄分布较厚, 平均厚度分别为4.07, 4.97m;在基坑A角撑区贯通, 厚度达16m, 如图3所示。

在基坑分层分区开挖至标高-10.450m后, A角撑区支护桩桩间出现不同程度的渗漏现象, 在基坑外侧较大的承压水头压力下局部发生管涌。前期在止水帷幕修复过程中未能采取有效方法, 基坑在高水头压力下水沿着砾砂层不断流出, 导致支护桩沉降变形、地面开裂、与A区相邻酒店出现不均匀沉降。

与基坑相距较近的酒店为基坑渗漏影响最大的建筑物, 平面尺寸57.8m×9.7m, 与坑边纵向距离3.2m、渗漏点横向距离5m, 建筑四角沉降累计曲线如图4所示, 监测点CJ18沉降累计值达28mm, 且有继续扩大趋势, 急需有效方法进行堵漏和减少地基沉降。

地层中含水量高且存在承压水, 基坑支护桩桩间的渗漏情况较为严重, 涌水量较大。根据JGJ120—2012《建筑基坑支护技术规程》, 基坑涌水量可按均质含水层承压水完整井的基坑降水总涌水量计算, 其计算公式为:

其中, 砾砂层承压含水层的厚度按详勘中的2层砾砂平均厚度8.21m选取;基坑最深处开挖至绝对标高为-7.000m, 稳定水位绝对标高为3.610m, 则基坑水位的降深为10.610m。

经计算得出基坑降水影响半径R=264.06m, 等效半径r₀=133.98m, 引用影响半径R₀=130.08m;基坑降水总涌水量Q=755.70m³/d。

与现场实测涌水量Q=1 000m³/d相比可知, 基坑止水帷幕失效后, 承压水含水层 (砾砂层) 涌水量较大, 且大于理论计算值。结合现场实际观察, 基坑夜间涌水量大于白天, 分析原因如下: (1) 地下水位随海水涨潮而变化; (2) 夜晚温度降低蒸腾作用下降, 地面及不远处水库水面水蒸气冷凝, 加大地下水补给。综上, 夜间的管涌为基坑渗漏相对严重阶段, 需加大监控。

基坑止水失效的原因有设计原因、施工原因及环境因素 (地质条件复杂) 等, 如表2所示。

基坑止水失效机理如图5所示, 因三轴搅拌桩存在成桩缺陷或进入隔水层深度不足, 承压水沿着失效的止水帷幕进入止水帷幕内部。同时, 由于设计给定的单轴搅拌桩长度未深入隔水层, 导致单轴搅拌桩下部存在1条贯通的过水通道, 承压水沿过水通道寻找支护桩间最薄弱的点 (即单轴搅拌桩成桩缺陷的点) 形成管涌。其中, 造成三轴搅拌桩和单轴搅拌桩成桩缺陷的原因是地层中存在密实度高的厚砾砂层且存在承压水, 动水环境下水源补给充足。上述情形与工程实际发生渗漏点位 (-10.450m) 保持一致。

在开挖基坑第2道内支撑下土方时, 出现较大管涌的险情。针对现场渗漏情况, 处理方案如下。

利用洒入水溶性聚氨酯堵漏剂的旧棉絮迅速进行封堵, 并将长度约2m、直径48mm引流管的端部插入到漏水点深处, 引流管的做法如图6所示。由于渗漏点水头压力差较大, 为防止封堵的棉絮被冲走, 采用土拌合硅酸盐水泥进行反压回填, 并在渗漏点外围形成围堰, 防止漏水对基坑内部产生破坏。围堰内部用真空水泵将引流管排出的清水抽出基坑内部。

在基坑渗漏点外侧、止水帷幕内侧进行引孔注浆, 引孔位置位于渗漏点处的单轴搅拌桩中间及间距400mm的两侧共3个孔位。利用改进的“三孔注浆法”对基坑渗漏点进行桩间补强 (见图7) , 要点如下: (1) 在单轴搅拌桩两侧的孔位进行低压注浆, 注浆压力保持在0.1~0.2MPa; (2) 利用中间单轴搅拌桩上的孔位作为排气孔进行出浆、出气; (3) 持续10~15min后暂停注浆, 地层“吃浆”后持续以上步骤; (4) 桩间补强期间暂停抽水。

改进后的三孔注浆法与常规方法相比, 常规方法分次引孔注浆时容易产生空腔及间隙, 而优化后的方案通过“两孔注浆、一孔出气”能够均匀、密实地填满桩间薄弱带, 且单轴搅拌桩上的孔位作为排气孔后进行二次注浆, 对桩间起到较好的加强效果。

鉴于在地层砾砂层处基坑止水帷幕多处失效及支护桩间单轴搅拌桩成桩存在众多缺陷、坑外修复效果不佳且施工难度大等因素, 采用在坑内开挖面以下设置内止水帷幕的方法进行截水以排除基坑内部再次出现渗漏的险情。

坑内止水帷幕采用高压旋喷施工, 施工深度从开挖面至隔水层下1m。施工中为保证成桩效果, 在密实度高的饱和砾砂层中将常规工艺中的浆液置换成清水, 以减少浆液稠度提高劈裂力, 反复上下旋喷直至上下土层搅拌均匀, 再进行常规高压旋喷形成可靠的止水帷幕体系。为确保基坑安全, 高压旋喷施工时应分段进行, 施工方案如图8所示。

`坑内止水帷幕施工因直接在基坑内部的开挖面上进行, 减少了地下钻进深度及施工垂直度、桩位、桩径偏差, 有效保证了止水帷幕的施工效果。

经过上述方案处理后, 基坑止水帷幕修复工作进展顺利, 基坑管涌点不再漏水, 土方得以顺利开挖至坑底标高。止水帷幕修复过程中, 同步在基坑周边建筑物下注浆的方案, 沉降累计曲线如图9所示。分析可知, 最大累计沉降值为靠近基坑渗漏点处的监测点位CJ18, 沉降趋于稳定后的数值为30mm, 与最近点CJ19沉降差为14.7mm。根据JGJ8—2016《建筑物变形测量规范》砌体承重结构局部倾斜计算规则可得局部倾斜0.001 5, 小于规范要求的0.002。至此, 深基坑止水帷幕修复研究工作全部完成。

1) 通过对基坑渗漏情况分析, 得出了基坑止水帷幕失效的设计、施工及环境原因, 并对基坑止水失效机理进行了分析。其中造成三轴搅拌桩和单轴搅拌桩成桩缺陷的关键原因是地层中存在密实度高的厚砾砂层且存在承压水, 动水环境下水源补给充足。

2) 改进后的“三孔注浆法”在“两孔注浆、一孔出气”阶段能够均匀、密实地填满桩间薄弱带, 二次注浆阶段对桩间起到加强效果。

3) 坑内止水帷幕施工因直接在基坑内部的开挖面上进行, 减少了地下钻进深度及施工垂直度、桩位、桩径偏差, 有效保证了止水帷幕的施工效果。